核反應(yīng)堆熱工基礎(chǔ)-第六章

核反應(yīng)堆熱工基礎(chǔ)教師：劉曉輝成都理工大學

核技術(shù)與自動化工程學院第1節(jié)

概述1.熱工設(shè)計涉及面廣：堆物理設(shè)計元件設(shè)計（燃料元件）結(jié)構(gòu)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計一回路系統(tǒng)設(shè)計二回路系統(tǒng)設(shè)計第六章

反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計2.反應(yīng)堆熱工設(shè)計所要解決的具體問題——就是在堆型和為進行熱工設(shè)計所必需的條件已經(jīng)確定的前提下，通過一系列的熱工水力計算和一二回路熱工參數(shù)的最優(yōu)選擇，確定在額定功率下為滿足反應(yīng)堆安全要求所必需的堆芯燃料元件的總傳熱面積、燃料元件的幾何尺寸以及冷卻劑的流速、溫度和壓力等，使堆芯在熱工方面具有較高的技術(shù)經(jīng)濟指標。具體包括：根據(jù)所設(shè)計的堆用途和特殊要求選定堆型，確定所用的核燃料、慢化劑、冷卻劑和結(jié)構(gòu)材料等的種類；反應(yīng)堆的熱功率、堆芯功率分布不均勻系數(shù)和水鈾比允許的變化范圍；燃料元件的形狀、它在堆芯內(nèi)的布置方式以及柵距允許變化的范圍；二回路對一回路冷卻劑熱工參數(shù)的要求；冷卻劑流過堆芯的流程以及堆芯進口處冷卻劑流量的分配情況。熱工設(shè)計的過程：方案設(shè)計初步設(shè)計施工設(shè)計3.熱工設(shè)計準則的概念在設(shè)計反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)時，為了保證反應(yīng)堆運行安全可靠，針對不同的堆型，預(yù)先規(guī)定了熱工設(shè)計必須遵守的要求，這些要求通常就稱為堆的熱工設(shè)計準則。壓水堆主要熱工設(shè)計準則：（1）燃料元件芯塊內(nèi)最高溫度應(yīng)低于相應(yīng)燃耗下的熔化溫度；（2）燃料元件外表面不允許發(fā)生沸騰臨界；（3）必須保證正常運行工況下燃料元件和堆內(nèi)構(gòu)件能得到充分冷卻；在事故工況下能提供足夠冷卻劑以排出堆芯余熱；（4）在穩(wěn)態(tài)和可頂計的動態(tài)運行過程中，不允許發(fā)生流動不穩(wěn)定性。偏離泡核沸騰比（DNBR）最小偏離泡核沸騰比（MDNBR）——整個堆芯中DNBR的最小值。第2節(jié)熱通道因子和熱點因子1.定義熱通道（熱管）：堆芯內(nèi)積分功率輸出或焓升最大的冷卻劑通道（也就是發(fā)出功率最大的燃料元件所對應(yīng)的通道）。熱點：燃料元件表面熱流密度最大或燃料元件線功率密度最大的點。平均管：一個具有設(shè)計的名義尺寸、平均的冷卻劑流量和平均釋熱率的假想通道，反映整個堆芯的平均特性。當不考慮在堆芯進口處冷卻劑流量分配的不均勻，以及不考慮燃料元件的尺寸、性能等在加工、安裝、運行中的工程因素造成的偏差，單純從核方面考慮——核熱通道、核熱點。

在知道堆的功率、傳熱面積以及流量等條件以后，確定堆芯內(nèi)熱工參數(shù)的平均值是比較容易的。但是堆芯功率的輸出不受熱工參數(shù)平均值的限制，而是受堆芯最惡劣的局部熱工參數(shù)值的限制。而要得到局部的熱工參數(shù)卻不是一件容易的事。

為了衡量各有關(guān)的熱工參數(shù)的最大值偏離平均值的程度，引進了一個修正因子，這個修正因子就稱為熱管因子或熱點因子。它們是用各有關(guān)的熱工（或物理）參數(shù)的最大值與平均值的比值來表示的。

通常把熱管因子、熱點因子分為兩大類:

一類是核熱管因子、熱點因子 一類是工程熱管因子、熱點因子為了定量地表征熱管和熱點的工作條件，如果不考慮堆芯中控制棒、水隙、空泡和堆芯周圍反射層的影響，堆芯功率分布的不均勻程度常用熱流密度核熱點因子FNq來表示。反應(yīng)堆早期，人為地把熱點位于熱管內(nèi)，故提出焓升核熱管因子（熱通道因子）FNΔH。即

堆芯的幾何形狀核熱點因子（功率峰因子）球形3.29直角長方形3.87圓柱形3.64圓柱形(裸,徑向通量展平)2.4~2.6圓柱形(有反射層)2.4游泳池式堆(水做反射層)2.6各種堆的核熱管因子（未考慮局部峰）為了定量分析由工程因素引起的熱工參數(shù)偏離名義值的程度，引入工程熱管因子FEΔH和工程熱點因子FEq。綜合考慮核和工程兩方面的因素后，熱流密度熱點因子Fq和焓升熱管因子（熱通道因子）FΔH為

2.工程熱點因子和熱管因子的計算乘積法在反應(yīng)堆發(fā)展的早期，由于缺乏經(jīng)驗，為了確保堆的安全，通常就把所有工程偏差看成是非隨機性質(zhì)的，因而在綜合計算影響熱流量的各工程偏差時，保守地采用了將各個工程偏差值相乘的方法，即所說的乘積法。混合法在這種方法中，是把燃料元件和冷卻劑通道的加工、安裝及運行中產(chǎn)生的誤差分成兩大類，一類是非隨機誤差或系統(tǒng)誤差（乘積法）；另一類是隨機誤差或偶然誤差（按誤差分布規(guī)律用相應(yīng)公式計算）。3.降低熱點因子和熱管因子的方法熱管因子及熱點因子的值是影響堆熱工設(shè)計安全性和技術(shù)經(jīng)濟指標的重要因素，因此必須設(shè)法降低總的熱管（點）因子的值。熱管（點）因子是由核和工程兩方面不利因素造成的，因而要減小它們的數(shù)值必須從這兩方面著手。降低核熱管因子和熱點因子：沿堆芯徑向裝載不同濃縮度的核燃料；在堆芯周圍設(shè)置反射層；固體可燃毒物的適當布置以及控制棒分組及棒位的合理確定；采用化學補充。

降低工程熱管因子和熱點因子：合理控制有關(guān)部件的加工及安裝誤差；精細進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和堆本體水力模擬實驗；改善下腔室冷卻劑流量分配不均勻性；加強相鄰燃料元件冷卻劑通道間的流體橫向交混。

第3節(jié)臨界熱流密度與最小DNBR1.臨界熱流密度在壓水堆的熱工設(shè)計中，不但允許堆芯冷卻劑發(fā)生過冷沸騰，而且還允許在少量冷卻劑通道中發(fā)生飽和沸騰，其目的在于在一定的系統(tǒng)壓力下，提高堆芯出口處的冷卻劑溫度，從而改善整個核電站的熱效率。但是，燃料元件表面與冷卻劑間的放熱強度并不隨汽泡的增加而單調(diào)上升，有時可能發(fā)生燃料元件表面的沸騰臨界，此時燃料元件表面與冷卻劑間的傳熱急劇惡化，導(dǎo)致燃料元件包殼燒毀。因此對于水堆中的沸騰工況進行研究極為重要。出現(xiàn)沸騰危機時的臨界熱流密度對水冷堆的設(shè)計十分重要。若干年來，國內(nèi)外作了許多實驗研究和理論分析工作，但目前還沒能提出一個完整的理論計算公式，因而，進行熱工設(shè)計時還不得不應(yīng)用由實驗結(jié)果整理出來的經(jīng)驗公式。其中比較典型的是根據(jù)軸向熱流量均勻分布的單通道試驗所得的計算臨界熱流密度的W－3公式：

該公式也可以用于軸向熱流量非均勻分布的棒束元件冷卻劑通道的臨界熱流量計算，只是要采用冷卻劑通道的局部參數(shù)，而不是整個棒束組件內(nèi)的平均參數(shù)，軸向熱流的不均勻分布還要采用不均勻因子來修正。如果存在非加熱的壁面，則還要用一個冷壁因子來修正。對于堆芯內(nèi)的定位件及混流片，由于加強交混強化了傳熱，可用定位格架修正因子進行修正。在沸騰中發(fā)生“燒毀”，主要原因是受熱壁上蓋有一層汽膜，液體不能補充到受熱面上去，由于汽膜的熱阻大，故壁溫迅速上升而燒毀。 因此，所有影響汽泡生成速度、汽泡體積的大小和密度情況以及汽泡層厚度的各種因素，如流速、沿通道的熱通量分布、棒束的幾何結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)的壓力等，都會對臨界熱通量有重要的影響。

qDNB是水堆設(shè)計的重要參數(shù)，因此分析影響qDNB的各種因素，從而找到提高qDNB的各種途徑，是一個十分重要的課題。（1）冷卻劑質(zhì)量流速

對過冷沸騰和低含汽量的飽和沸騰，當冷卻劑的質(zhì)量流速增大時，流體的擾動增加，汽泡容易脫離加熱面，從而qDNB增大。

流速增大到一定數(shù)值后，在繼續(xù)增加流速對提高qDNB的貢獻就小了。在高含汽量飽和沸騰的情況下，如果冷卻劑的流型是環(huán)狀流，增加冷卻劑流速反而會使加熱面上的液膜變薄，從而加速燒干。（1）冷卻劑質(zhì)量流速

對過冷沸騰和低含汽量的飽和沸騰，當冷卻劑的質(zhì)量流速增大時，流體的擾動增加，汽泡容易脫離加熱面，從而qDNB增大。

流速增大到一定數(shù)值后，在繼續(xù)增加流速對提高qDNB的貢獻就小了。在高含汽量飽和沸騰的情況下，如果冷卻劑的流型是環(huán)狀流，增加冷卻劑流速反而會使加熱面上的液膜變薄，從而加速燒干。（2）進口處冷卻劑過冷度

進口處的冷卻劑過冷度越大，則加熱面上形成穩(wěn)定的汽膜所需的熱量越多，qDNB增大。

但是當過冷度增大到某一數(shù)值時，會發(fā)生兩相流動不穩(wěn)定性，導(dǎo)致熱管內(nèi)冷卻劑流量減小，從而qDNB下降。 過冷度小到某一數(shù)值時，也會發(fā)生兩相流動不穩(wěn)定性。究竟如何確定進口冷卻劑的過冷度，要根據(jù)系統(tǒng)具體的熱工和結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。（3）工作壓力

對于加熱的流動沸騰系統(tǒng)，壓力對qDNB的影響，不同研究人員的觀點還不太一致。有些研究人員認為，壓力升高，qDNB會稍有下降。

單從W-3公式來看，當系統(tǒng)的加熱量一定時，壓力增加，冷卻劑的含汽量也在變化，因而qDNB有可能增大。

對于池式沸騰，當壓力小于6.68MPa時，qDNB隨壓力的增加而增大，壓力大于6.68MPa時，壓力增大，qDNB反而減小。（4）

冷卻劑焓

沸騰臨界發(fā)生處的冷卻劑焓值的大小，主要反映在含汽量的大小上，冷卻劑焓值越高，含汽量越大，從而臨界熱流量也就越小。（5）通道進口段長度

進口段長度的影響通常用L/d的值來表示，L/d的值越小，受進口局部擾動的影響越大，因而qDNB增大。L/d的值小于50時，L/d的值的改變對qDNB影響較大。此外，隨著進口過冷度和質(zhì)量流量的增加，L/d的值對qDNB影響相對減小。

（6）加熱表面粗糙度

加熱表面粗糙度的影響，只是對新堆才比較明顯。表面粗糙度一方面可以增加汽化核心的數(shù)目，另一方面又可以增強流體的湍流擾動，在過冷沸騰和低含汽量飽和沸騰的情況下，會使qDNB增大。但是在高含汽量的飽和沸騰的環(huán)狀流情況下，粗糙的表面會加強流體的湍流擾動，使加熱面上的一薄層液膜變得更薄，從而加速沸騰臨界的到來。運行一段時間后，加熱面的粗糙度因受流體沖刷而變小了，對qDNB的影響也就小了。2.最小DNBR

對于穩(wěn)態(tài)工況和預(yù)計的事故工況，都要分別定出MDNBR的值，其具體值和所選用的計算公式有關(guān)，例如選W-3公式，壓水堆穩(wěn)態(tài)額定工況時一般可取MDNBR=1.8～2.2，而對預(yù)計的常見事故工況，則要求MDNBR>1.3。對于堆運行的不同壽期，會有不同的MDNBR，在設(shè)計時要考慮這一點，保證在堆的整個運行壽期內(nèi)，在穩(wěn)態(tài)額定工況下的MDNBR仍然在設(shè)計準則規(guī)定的范圍內(nèi)。第4節(jié)單通道模型1.臨界熱流密度單通道模型 只要保證熱管的安全，而無需再繁瑣地計算堆內(nèi)其余元件和冷卻劑通道的熱工參數(shù)，就能保證堆芯其余燃料元件的安全了，在反應(yīng)堆發(fā)展的早期，堆熱工設(shè)計采用熱管和熱點分析模型。子通道分析模型（可以確定出真正的熱管和熱點） 近年來隨著堆的設(shè)計、建造和運行經(jīng)驗的積累、計算模型的發(fā)展、實驗技術(shù)的提高和測量儀表的改進，提高計算可以得到真正的熱管所在的位置及其熱工參數(shù)；也可以得到燃料元件最高中心溫度和最高表面溫度的數(shù)值及其所在的位置。1.單通道模型在設(shè)計開始前應(yīng)已知的有關(guān)數(shù)據(jù)是：主參數(shù)：核電廠電功率、電廠效率、系統(tǒng)壓力、流量、溫度(入口溫度、出口溫度或平均溫度者中之一)等。結(jié)構(gòu)參數(shù)：燃料元件的直徑、元件排列形式、柵距等。物性參數(shù)：燃料、包殼材料、冷卻劑、慢化劑、堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料的密度、熱導(dǎo)率、比熱容等。核參數(shù)：徑向功率分布、方位角及局部峰因子、軸向功率分布、核參數(shù)不確定因子等。其他參數(shù)：某些需由實驗確定的系數(shù)，例如旁流系數(shù)，形阻壓降系數(shù)等。2.子通道模型子通道模型考慮到相鄰?fù)ǖ览鋮s劑之間在流動過程中存在著橫向的質(zhì)量、熱量和動量的交換(通常統(tǒng)稱為橫向交混)，因此各通道內(nèi)的冷卻劑質(zhì)量流速將沿軸向不斷發(fā)生變化，使熱通道內(nèi)冷卻劑焓和溫度比沒有考慮橫向交混時要低，燃料元件表面相中心溫度也隨之略有降低。對大型壓水堆，在熱工參數(shù)一定的情況下，把用子通道模型計算的結(jié)果與用單通道模型計算的結(jié)果相比較，燃料元件表面的MDNBR值約增加5%～10％。可見，用于通道模型計算既提高了熱工設(shè)計的精確度，也提高了反應(yīng)堆的經(jīng)濟性。子通道模型四個基本守恒方程：（1）質(zhì)量守恒方程（2）能量守恒方程（3）軸向動量守恒方程（4）橫向動量守恒方程3.熱工水力實驗在設(shè)計初期許多參數(shù)都是暫定的。隨著設(shè)計的深入，某些參數(shù)應(yīng)作適當修正，對某些重要的參數(shù)應(yīng)根據(jù)本設(shè)計具體情況通過實驗才能最后確定。需要進行的熱工水力方面的實驗大致有下列幾方面：(1)臨界熱流密度實驗。根據(jù)本設(shè)計的燃料元件和冷卻刑具體參數(shù)驗證臨界熱流密度的計算結(jié)果；

(2)測定本設(shè)計所采用的燃料芯塊和包殼的熱物性，以及芯塊和包殼間的間隙傳熱系數(shù)；

(3)堆本體水力模擬實驗，測定壓力容器內(nèi)各部分的冷卻劑流動壓降，下腔室冷卻劑流量分配不均勻系數(shù)以及堆內(nèi)各部分的旁通流量；

(4)燃料組件水力模擬實驗，測定單相和兩相流動情況廠燃料組件內(nèi)的壓降，測定相鄰冷卻劑通道間的流體交混系數(shù)；

(5)通道內(nèi)流動沸騰情況下的流動穩(wěn)定性研究。第5節(jié)蒸汽再熱循環(huán)與回熱循環(huán)1.再熱循環(huán)蒸汽中間再熱：將蒸汽從汽輪機某級引出來再加熱，溫度提高后再送回汽輪機后續(xù)的級繼續(xù)做功。日前大型火力發(fā)電廠大都采用蒸汽中間再熱系統(tǒng)，其主要目的是在蒸汽終濕度滿足要求限值條件下提高蒸汽初參數(shù)，從而提高大容量機組的熱經(jīng)濟性。在壓水堆核電廠，采用新蒸汽加熱高壓缸排汽。從熱力學的角度講，用新蒸汽再熱只會降低熱效率。這里，再熱的主要目的在于提高蒸汽在汽輪機中膨脹終點的干度。二回路系統(tǒng)下圖為飽和蒸汽核汽輪機的h-s圖。若不采取任何措施，當蒸汽膨脹至5kPa時，其蒸汽濕度將接近30%。為了保障汽輪機組低壓缸的安全運行，設(shè)置了中間汽水分離器及低壓缸級間去濕結(jié)構(gòu)，則末級葉片的濕度仍接近20％(膨脹線A)；在此基礎(chǔ)上再增加蒸汽中間再熱，蒸汽被加熱至過熱，則末級葉片的濕度約為11％(膨脹線B)。圖中膨脹線C表示大型火力發(fā)電機組的膨脹過程，其排汽濕度約為10％?？梢姡似啓C在采取蒸汽再熱措施后，末級濕度